上海交大陈险峰教授团队：全连接型三用户量子纠缠网络

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Citation

A fully-connected three-user quantum hyperentangled network

Yiwen Huang, Yuanhua Li, Zhantong Qi, Yilin Yang, Yuanlin Zheng & Xianfeng Chen*

Quantum Frontiers 2, 4 (2023)  

https://link.springer.com/article/10.1007/s44214-023-00030-4

研究背景

由于量子力学赋予的理论上无条件安全的特性，以量子密钥分发技术为核心的量子信息技术是未来保密通信的重要选择。随着量子信息技术的逐步成熟，构建天地一体化的大规模量子通信网络已成为一个蓬勃发展的热点研究领域。近年来，基于量子纠缠的全连接型量子通信网络在大规模城域网络建设中备受关注。这种全连接型拓扑结构的量子网络可以采用最小的基础硬件设施来实现多用户间的相互通信，对构建大规模城域量子网络具有至关重要的作用。基于光子多自由度编码的超纠缠量子态可以为每个光子编码更多的量子比特，显著增加信道容量，在密集编码、纠缠蒸馏和隐形传态等诸多量子信息任务中都有重要的作用。偏振和轨道角动量编码的全连接型超纠缠量子网络，可实现更大的网络通信容量和更强抗干扰能力，将为终端用户提供一个可执行多种量子任务的多功能量子平台。

研究亮点

本文通过基于量子干涉逻辑门的纠缠转换技术，将量子纠缠从时间能量转移到轨道角动量自由度，构建了具有全连接型拓扑结构的偏振和轨道角动量超纠缠多用户量子网络。这种方法为多自由度超纠缠量子网络的实现提供了新思路，可支持密集编码和隐形传态等多种复杂的量子任务。

研究进展

     来自上海交通大学物理与天文学院陈险峰教授团队针对未来量子网络对同时开展多种量子任务的多功能需求，通过使用密集波分复用和纠缠转换技术，构建具有全连接型拓扑结构的超纠缠三用户网络。研究人员利用波分复用技术将三个高保真度的偏振和时间能量超纠缠态复用至单模光纤中，形成全连接型拓扑网络结构。然后采用三个干涉仪和螺旋相位板构成的量子逻辑门将时间能量纠缠转换为轨道角动量纠缠，从而实现偏振和轨道角动量超纠缠的全连接型量子网络。实验所获得的偏振和轨道角动量超纠缠态具有较高质量的纠缠特性，该网络中的偏振纠缠双光子干涉的平均可见度大于95%，轨道角动量纠缠态的平均保真度大于96%。这种基于纠缠转换的方法为构建大规模多自由度超纠缠量子网络提供了新思路，可为终端用户提供一个可执行超密集编码、隐形传态和纠缠蒸馏等多种量子任务的多功能量子平台。

图文导读

图1.（a）构建量子网络所使用的ITU波长通道的总传输效率。（b）各用户之间的双光子符合时间函数。

 利用密集波分复用技术，将自发参量下转换产生的纠缠光子源滤出三对ITU波长通道的光子对来构建全连接型量子网络，每两个用户之间共享一个独立的量子纠缠态，不同的纠缠态可通过双光子符合时间函数分辨。

图2.（a）轨道角动量纠缠双光子干涉条纹。（b）各用户轨道角动量双光子干涉条纹可见度。

 通过采用液晶空间光调制器和单模光纤的组合，通过加载相位图在两组非正交基矢下测量了轨道角动量纠缠双光子干涉条纹，获得各用户共享的纠缠态的干涉条纹平均可见度大于95%，验证了所构建的量子网络轨道角动量纠缠的存在。

作者简介

第一作者

黄义文 博士研究生

上海交通大学物理与天文学院

通讯作者

陈险峰 教授

国家杰出青年基金获得者、国家“万人计划”领军人才

上海交通大学物理与天文学院

主要研究方向

• 非线性光学、集成光电子学、光场调控、光量子信息和生物光子学等。

主要研究成果

• 2010年由于在准相位匹配非线性光学和光与纳米结构材料相互作用方面的贡献获得亚太物理协会联合会杨振宁奖；

• 担任Journal of Nonlinear Optical Physics & Materials主编，在Nature、Nature Photonics、Science Advances、Physical Review Letters等本领域国际重要SCI刊物上发表研究成果论文400余篇。

• Email: [e-mail] 

往期回顾

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